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51单片机实现16x16点阵LED显示及书写屏设计报告.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.37M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    LED 点阵书写显示屏设计 摘要： 本文设计了一套成本低廉，通过书写笔可以轻松、简便地输入信息并显示的 装置，以单片机为微控制器，以 16×16 点阵 LED 组成显示模块，结合行、列扫 描驱动逻辑电路，编写程序控制所有 LED 点工作在扫描微亮和稳定点亮两种状 态，用光敏三极管和比较器组成新型光笔，通过光笔检测笔尖下方 LED 的扫描微 亮光线使控制器进入中断并记录当前扫描点的坐标编号，从而实现信息输入和 LED 屏显示控制。所设计的 LED 显示屏无需数据传输通信，以光笔书写方式输入 信息，不需要触控器件，能够实现 2s 内划亮 40 点满足书写流畅的要可广泛应用 于需要频繁更改发布内容的广告显示场合。 This paper introduces the design of a set of low cost, through the ShuXieBi can easily and easier to input information and show The device, and based on the single chip computer for micro controller, with 16 x 16 dot matrix display module, LED with line,Column scanning drive logic circuit, write a program to control all LED some work in the scanning WeiLiang and stable light two kindsState, with light activated triode comparison and composed new light pen, through the pen tip LED the scanning of the test below .WeiLiang light make the controller into the break and record the current scanning spot of the coordinates of the Numbers, so as to realize the information input and The LED screen display and control. The design of the LED display no data transmission communication, to writing pen input Information, do not need to touch device, can realize 2 s scratched within 40 points meet the writing is smooth to can be widely used In the need for frequent change issued the content the AD showed occasion. 关键词：LED 点阵显示屏；光电书写笔；微亮扫描；光敏检测
    目录 系统方案论证.....................................3 硬件设计.........................................6 软件设计.........................................7 实验测试及测试结果分析...........................8 总结.............................................9 附 录：源程序 一．系统方案论证
    1.1前言 LED 点阵显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像，动态范围广，亮度高， 寿命长，工作稳定可靠，已成为众多显示媒体以及户外作业显示的电子工具，广 泛应用于车站、宾馆、体育、金融、证券等广告或交通运输行业。LED 点阵显示 屏一般由四个主要部分组成：微控制器主控单元、译码驱动电路、LED 点阵电子 屏、通信模块。其中通信模块通常是 RS-485接口，甚至是 GSM 无线通信模块， 实现显示屏与上位机的通信接收，显示数据和发布信息。这种信息获取方式需要 联机，有时不是十分方便，本文以2009年全国大学生电子设计竞赛 H 题为要求， 设计一套书写式 LED 点阵显示屏，通过手写轻松、简捷地输入显示内容。 1.2 系统方案设计 常见的书写笔是基于触控技术构成的输入设备，由触摸屏和书写笔构成，触 摸屏有矢量压力传感技术、电阻技术、电容技术、红外线技术、表面声波技术五 种类型，价格昂贵。由于 LED 显示屏本身具有点阵光源，结合光电传感技术设计 新型信息采集输入电路，可节省触控模块的材料费用，同时亦可避免其透光差而 影响显示画面的清晰度及长期使用后出现坐标漂移、影响使用精度等缺点。 1.3 总体设计 单 片 机 列驱动器 电源 行 驱 动 器 16X16LED 显示 点阵 2.1 设计论证 文字显示一般有静态和动态显示两种方案，静态方案虽然设计简单，但其使 用的管脚太多，如本设计中 16ｘ16 的点阵共有 256 个发光二极管，显然单片机 没有这么多的端口，如果我采用锁存器来扩展端口，按 8 位的锁存器来计算，16 ｘ16 的点阵需要 256/8=32 个锁存器。这个数字很庞大，因为我们仅仅是 16ｘ16 的点阵，在实际应用中的显示屏往往要大得多，这样在锁存器上花的成本将是一 个很庞大的数字。因此在实际应用中的显示屏几乎都不采用这种设计，而采用另
    外一种称为动态扫描的显示方法。 动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现 多行（比如 16 行）的同名列共用一套驱动器。具体就 16ｘ16 的点阵来说，把所 有同 1 行的发光管的阳极连在一起，把所有同 1 列的发光管的阴极连在一起（共 阳极的接法），先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第 1 行使 其燃亮一定时间，然后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第 2 行使其 燃亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第 16 行之后，又重新燃亮第 1 行，反 复轮回。当这样轮回的速度足够快（每秒 24 次以上），由于人眼的视觉暂留现象， 就能够看到显示屏上稳定的图形了。 采用扫描方式进行显示时，每一行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个 驱动器。显示数据通常存储在单片机的存储器中，按 8 位一个字节的形式顺序排 放。显示时要把一行中各列的数据都传送到相应的列驱动器上去，这就存在一个 显示数据传输的问题。从控制电路到列驱动器的数据传输可以采用并列方式或串 行方式。在这里我组采用并行方式。 书写式 LED 点阵显示系统分为微控制器单元、X／Y 轴扫描驱动单元、LED 点 阵模块和光笔传感器单元等，结构组成原理如图1所示。系统中，256个发光二极 管以16×16的方式排列成 LED 点阵显示模块，工作于两种状态：a．由微控制器 单元通过 X、Y 轴方向的扫描驱动单元逐行、逐列地轮流短时间点亮每个 LED， 使整个 LED 模块处于扫描微亮状态；b．由微控制器根据显示内容译码成为行、 列控制信号将信息构成点稳定点亮。两种状态由微控制器以微观时间片分时完 成，宏观上同时存在。扫描微亮状态下每个 LED 点亮时配以唯一的编号，书写时， 当某个 LED 的扫描微亮光线恰好被靠近的光笔尖内置光敏三极管检得时，光电流 经脉冲比较整形电路输出下降沿信号，引起微控制器中断，由中断程序识别笔尖 靠近的 LED 编号，并记入内存显示缓冲区待微控制器在稳亮状态处理。 为了达到书写流畅，设计在2s 钟内划亮40点，则任一点划亮周期为50ms， 这就是256点的微亮扫描周期，以此计算得每点的扫描微亮时间大约为48 μs， 这个时间由微控制器内部定时器定时，由定时中断服务程序完成 LED 编号和轮流 点亮。微亮扫描时先从第1行开始逐列扫描，待第一行完成后再扫描第二行，以 此类推直至扫描完最后一行再次循环。由于每点在50 ms 重复点亮一次，只要光
    笔传感器在某点停留时间超过50ms 必将感应到微亮光线而进入中断记录该点坐 标。 二．硬件设计 2.1 电源、单片机系统及其管脚  单片机系统及其管脚 常用的时钟电路设计有两种方式,一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方 式。本实验采用内部时钟方式，将 XTAL1 与 XTAL2 之间跨接一个石英晶振和微调 电容，从而构成一个稳定的自激震荡器。电容值取 30pF 左右，其大小将影响震 荡频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。为减少线间的寄生电容，晶振 和电容应尽能安装得与单片机靠近，保证晶振稳定可靠的工作。 另一部分是复位部分。上电自动复位电路是最简单的复位电路，只需要一个 1K 左右电阻、一个 22pF 左右的电容及 24MHZ 的晶振。有时还需要按键手动复位， 此时只要在电容上并联一个按键即可。 单片机信号输出采用串行输出，因此在下一模块的移位寄存器要与该部分的 串行口 P3.0（RXD）及 P3.1（TXD）相连 其图形如下图 图二 单片机管脚图 2.2 点阵及其驱动部分 点阵显示用是动的态扫描来实现的。在采用扫描方式显示时，由于每行要带 动十六个二极管，每行电流较大。若每个二极管安 5mA 计算，十六个二极管就得 80mA 电流，超出单片机管脚的承受范围，因此每行都加有一个驱动器，本设计 的行驱动用的是十六个 PNP 型三极管。三极管的发射极接 5V 电压，集电极接点 阵的行线，而其基级本应接单片机，但该接线方式占用为了 16 个单片机管脚， 为了节省单片机管脚，用了一片 74LS154 译码器,这样就只需要 3 个管脚了。
    74LS154 的管脚图及其说明如图三。点阵及其驱动部分总体接线图如图五（未画 完整） 各行的同名列共用一个列驱动，数据通常存储在单片机的存储器中，按 8 位一个 字节的形式存放。由于列线过多，故多采用串行传输。由于每次要传输 16 位， 而且数据要逐位输给驱动器，只有当一行中各列数据都已传输到位后，这一行的 各列才能进行并行显示，耗时较长。为了满足以上要求，驱动选择 74LS573 移位 寄存器。74HC573 高性能硅门 CMOS 器件，SL74HC573 跟 LS/AL573 的管脚一样。器 件的输入是和标准 CMOS 输出兼容的；加上拉电阻，他们能和 LS/ALSTTL 输出兼容。 当锁存使能端 LE 为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁 存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。出能直接接到 CMOS，NMOS 和 TTL 接口上工作电压范围：2.0V~6.0V ，输入电流：1.0uA ，具有高噪声抵抗特性 高性能 硅门 CMOS 器件及其说明如。 对3个输入信号进行译码。得到8个输出状 态。 G1,G2A,G2B,为数据允许输出端，G2A,G2B 低电平有效。G1 高电平有效。A,B,C 为译 码信号输出端，Y0~Y7 为译码输出端，低 电平有效 图四：74hc573 图三 74LS154 管脚图 2．3 光笔传感器单元电路
    根据设计要求，2s 内点亮 40 个 LED 点，因此必须在 48 μs 内扫描 1 个 LED 并 完成外部中断的判断，故光笔的响应时间必须远远小于 48 μs。光敏三极管的 响应时间为 5～10 μs，当光强改变时，单片机就能检测到它的变化，可以满足 设计要求。光笔传感器单元电路如图 4 所示。由光敏三极管检测扫描微亮光线， 将光电流转换为瞬变电压，通过由 LM393 组成的比较整形电路输出脉冲。其中整 形电路参考电位由电位器提供，可用来调节光笔灵敏度。当光笔(光敏三极管) 检测不到有突变光强时，光敏三极管因暗电流而内阻很大，LM393 输出高电平。 当光强的突变产生光电流信号经此单元处理后得到下降沿信号送入单片机 P3．2 时端口可触发单片机外部中断。 三．软件设计 系统程序模块分为前台程序和后台程序，前台程序即系统主程序，除进行系 统定时器、中断初始化外，主要负责从内存显示缓冲区读取显示信息所对应的 LED 点坐标，然后驱动 LED 稳定点亮。后台程序由定时器中断子程序、光笔检测 中断子程序两个部分。定时器定时48 μs，中断修改扫描编号和调整扫描坐标完 成一个 LED 点的微亮扫描。光笔检测中断子程序完成读取当前微亮扫描 LED 的编 号并记入内存显示缓冲区。在系统中断优先级设置上以光笔中断优先高于定时 器。程序结构流程如图5所示。
    四．实验测试及测试结果分析 测试仪器主要有：直流稳压源 YB1730、万用表 SJ47。在室内常态光强下， 环境温度为常温25℃，无强电磁干扰，由市电220V 供电，通过直流稳压源转化 为+5V 对系统供电，打开系统总电源，仔细观察 LED 无闪动现象，此时已工作在 扫描微亮状态，用光笔放在 LED 点阵的某个点上，则此 LED 点亮，并且无闪动现 象。继续测试其它 LED，同样点亮，且无闪动，则实现点亮功能。当光笔在屏上 快速划过时，能同步点亮划过的各点 LED，速度达到2s 内能点亮40点。 本系统利用 STC89C54RD+对256个 LED 分时扫描微亮，由光笔传感器检测微亮光 线实现书写点坐标的识别，然后由主程序稳定显示输入的信息，充分利用 LED 光源特性和单片机内部定时器、中断系统资源，设计原理科学，构思巧妙，以低 廉的成本和逻辑性极强的程序实现书写输入式 LED 显示屏的设计，具有强的可扩 展性，应用前景广阔。 五．总结 本文设计的 16ｘ16 的点阵 LED 图文显示屏，能够在目测条件下 LED 显示屏 各点亮度均匀、充足，可显示图形和文字，显示的图形和文字较稳定、清晰。图 形或文字向上滚动显示。本系统具有硬件少，结构简单，容易实现，性能稳定可 靠，成本低等特点。 在此次设计中，我们得到以下体会： 一、在这次点阵设计的过程让我进一步熟悉 KEIL 及 Proteus 的使用。 二、本次设计结果仍有缺陷，有一行总是全亮，干扰显示。 三、通过这次点阵设计，重新复习并进一步学习了 MCS 优点，明确了研究目 标。 四、本文设计的 LED 显示屏能够实现在目测条件下 LED 显示屏各点亮度均匀、 充足，可显示图形和文字，显示图形和文字应稳定、清晰无串扰。图形或文字以 移入移出方式显示。 五、在后的设计中，既要想到电路器件的联合使用，又要灵活变通，举一反 三。在焊接方面，我们了解到焊接某些器件时，要先消去电烙铁上的静电，防止 静电对芯片特别是放大器件造成伤害，焊接二极管、三极管等芯片时要快，防止 持续高温损坏芯片。 7.附 录
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